亢建民，钟小宇，衣瑛，杨雷，霍本用

(1.鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司， 辽宁 鞍山市 114000；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院， 北京 100083)

0 引言

露天采场开挖形成高陡岩体边坡，为了系统分析采场边坡稳定性，需要对边坡岩体结构、裂隙分布和发育情况进行调查分析[1]。传统的人工现场接触测量法存在低效、费力、耗时较长等缺点，难以满足现代快速施工的要求。因此，在边坡岩体结构面测量和调查方面，国内外学者先后提出和应用了一些快速、高效、先进的非接触性测量方法。例如，刘昌军等[2]以力丘河某边坡裸露岩体结构面为例，综合实地测量、资料整理以及数据分析对三维激光扫描仪测得边坡岩体数据进行半自动快速统计，实现对边坡快速精确测量。周春霖等[3]利用改进的摄像机姿态获取方法对隧道及边坡进行现场测试，实现了对工作面岩体状况简便、精确的非接触测量。刘子侠等[4]采用数字近景测量法对长春市净月北山二采石场边坡进行现场测量，获取三维地质信息，并基于三维信息进行建模和分析。朱承金等[5]为提高边坡结构面信息获取过程的安全性及测量结果的准确性，采用无人机多角度摄影测量技术获取岩体结构面信息，得出边坡结构面坐标以及出露迹线长度。

三维不接触测量系统是一种可用于地球科学、土木工程、水利工程等领域的物理性能测试仪器，可实现岩体结构及变形的远程不接触测量。本文拟利用3GSM岩体结构面三维不接触测量系统对鞍千矿业哑巴岭露天采场边坡岩体结构面空间分布特征进行现场地质调查，实现边坡岩体结构空间三维重构和可视化分析。

1 3GSM 系统

1.1 系统组成

该系统由JointMetriX3D 和ShapeMetriX3D 两部分组成，包含一个可进行高分辨率立体摄像的照相机、可生成三维图像的模型重建软件和实现三维图像交互式空间可视化分析的软件包。软件系统可担任不同角度的图像处理工作，实现边坡岩体表面真三维模型的重构。在计算机可视化屏幕上对测得的三维实体图像进行全方位观察，利用计算机进行交互式操作，以实现边坡岩体独立结构面的识别、定位、拟追踪以及几何形态参数的获取工作，并对相交冗杂的岩体结构进行分级、分组以及几何参数统计。

1.2 成像系统和图像处理

ShapeMetriX3D 使用一个无支架的校准单反相机从两个角度对指定区域实现成像，并利用像素匹配技术对三维几何图像进行合成，其中几何图像分辨率是测量区域面积毫米/3872×2592 像素。JointMetriX3D 是由基于旋转的CCD 线扫描照相机（10000 万像素）和分析软件构成。成像系统安装在一个三脚架上，当轮换单位转动折线传感器时，该系统可逐步进行全景图像的获取。

当边坡岩体结构面的几何形状较为庞大复杂时，需要两个系统组合使用，其中 JointMetriX3D系统用来制作全面积的三维基准（定位）模型，而ShapeMetriX3D 系统对三维图像进行细节处的精细化测量。

2 结构面测量

2.1 调查点位置选取

哑巴岭露天采场位于太古代鞍山群变质岩系组成的鞍山复向斜的东北翼，呈北西—南东走向。露天采场内地质构造简单，矿区内规模不大的断裂构造比较发育。

哑巴岭采区全长1215 m，一期露天底标高为−132 m，矿区地层主要为前震旦纪鞍山群、辽河群变质岩系、混合岩及第四系地层。边坡裂隙测量地点主要选择没有被堆积体覆盖或很少覆盖、结构面裂隙比较清晰的边坡面。根据实际情况，选取位于哑巴岭采场西南帮的C 区进行结构面裂隙的调查和分析。图1 为哑巴岭采场的测点分布图。重点针对C区1#～3#、10#～14#测点进行测量，其中1#～3#测点为千枚岩区域，10#～14#测点为假象赤铁石英岩区域。

图1 巷道支护断面图

2.2 采场结构面测量

摄影测量前，先用罗盘量出岩体表面上一块较为明显平滑的结构面倾向，以此作为其他结构面的参考方位。调整标杆三脚架长度，使标杆与地面垂直，然后在结构面的左侧和右侧选取一相对平整的表面，将三脚架架在稳固安全地带，使两次摄影时的标杆位置尽可能处于同一水平，每次扫描中最好布置两个在同一条直线上的靶标点，同时在两次相邻扫描数据中至少应有一个重合点，只有这样才能保证数据的正确拼接。从左右两个视角对该结构面范围区域进行摄影，镜头所测岩体的距离D以及2次成像位置之间的距离B应满足B=D/8～D/5，故选取D为6 m，B为1 m。摄影结束后，将左右视图导入软件系统并通过像素匹配技术将左右两个角度拍摄的影像进行三维模型合成，再根据三维模型信息绘制赤平投影图和各组结构面迹线分布图。

以测点1 为例（其余测点均按照测点1 的测量方法测量和数据处理方式进行分析），图2 为测点1的实测图片，生成的三维模型见图3，边坡岩体内主要结构面分布如图4 所示，图5、图6 分别为岩体结构面分组情况及统计分析结果。

图2 测点1 实测照片

图3 测点1 结构面三维模型

图4 测点1 结构面分布

图5 结构面的赤平投影

图6 结构面统计分析结果

3 测量结果及结构面产状统计研究

3.1 岩体结构面产状分析

为了统一比较，所有测点的岩体结构面产状三维不接触测量结果汇总见表1，其中1#～3#测点为千枚岩区域，10#～14#测点为假象赤铁石英岩区域。

表1 岩体结构面产状分析结果汇总

3.2 测量结果分析

根据分析结果，从整体来看，测点1#～3#范围内的岩体结构面存在一定的规律性，主要集中分布在NW、SE 两个方向。其中，结构面组数最多的为倾向NW，结构面普遍较陡，优势倾角为87°；而倾向SE 方向的结构面较陡，优势倾角为89°；次产状主要分布在SW 方向，倾角为59°。总体来讲，优势产状结构面分布为307°∠87°、134°∠89°，次产状为266°∠59°。

测点10#～14#范围内的岩体结构面亦存在一定的规律性，主要集中分布于NW、NE 两个方向。其中，结构面组数最多的为倾向NW，结构面普遍较陡，优势倾角为60°；而倾向NE 方向的结构面亦较陡，优势倾角为74°；次产状主要分布在SW方向，倾角为87°。总体来讲，优势产状结构面分布为344°∠60°、22°∠74°，次产状为207°∠87°。

4 结论

（1）3GSM 三维不接触测量系统解决了传统人工现场接触测量法存在低效、费力、耗时较长等缺点，快速实现边坡岩体结构面不接触测量以及岩体结构的空间三维重构和可视化分析。

（2）采用3GSM 三维不接触测量系统，获得了哑巴岭露天采场C区不同岩性区域测点的岩体结构面产状参数和几何特征，揭示了不同岩性区域岩体优势结构面产状分布规律与特征，为露天采场破碎岩体边坡稳定性分析与变形防控提供基础支撑。